第二章設(shè)計(jì)總論

第二章機(jī)械設(shè)計(jì)總論§2-1設(shè)計(jì)機(jī)器時應(yīng)滿足的基本要求§2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序§2-3機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述§2-4機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)器：原動機(jī)傳動裝置—→工作機(jī)—→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)（如儀表、照明等）轎車組成：一、機(jī)器的組成（從汽車的構(gòu)造來看機(jī)器的組成）§2-1設(shè)計(jì)機(jī)器時應(yīng)滿足的基本要求1·動力部分：原動機(jī)提供動力（蒸汽機(jī)、電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）2·執(zhí)行部分：完成預(yù)定的功能（車輪、懸掛系統(tǒng)及底盤、車身）3·傳動部分：轉(zhuǎn)換運(yùn)動形式、運(yùn)動及動力參數(shù)（離合器、變速箱、傳動軸、差速器等）4·控制部分：控制運(yùn)行狀態(tài)（方向盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排擋桿及其它各種操作手柄及剎車、油門、離合器踏板）5·輔助系統(tǒng)：反饋運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)出信號（潤滑、照明、顯示、信號等）1·功能要求（或使用要求）：如起動、轉(zhuǎn)彎半徑、噸位速度、制動2·經(jīng)濟(jì)要求：如設(shè)計(jì)、制造、使用成本，采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的零部件（底盤、車橋等）3·安全性與勞動保護(hù)要求：安全裝置（氣囊、安全帶）、噪聲4·生態(tài)環(huán)境的要求：環(huán)境保護(hù)（尾氣、噪聲）5·人機(jī)工程與造型：操作習(xí)慣、外型美觀，符合美學(xué)原則二、對機(jī)器的主要要求:（以汽車為例）6·可靠性要求：在規(guī)定的使用條件及使用期限內(nèi)不出故障7.其它專用要求：特殊要求（防彈、越野等）

§2-2設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過上百年的發(fā)展形成了自己較為固定的程序，本節(jié)以汽車為例結(jié)合框圖來闡述設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序。設(shè)計(jì)的各個階段是相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的，在設(shè)計(jì)中不可避免的會出現(xiàn)反反復(fù)復(fù)，在設(shè)計(jì)中要注意運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等來提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快設(shè)計(jì)速度，縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品盡快地進(jìn)入市場、占領(lǐng)市場，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。一、設(shè)計(jì)零件應(yīng)滿足的基本要求1·在預(yù)定的壽命期內(nèi)安全可靠、避免失效的要求，具體表現(xiàn)為：⑴·強(qiáng)度：強(qiáng)度不足會引起斷裂、較大的殘余變形（塑性變形）⑵·剛度：剛度不足會造成彈性變形超過允許的限度⑶·壽命：影響壽命的主要因素有材料的疲勞、材料的腐蝕、磨損2·結(jié)構(gòu)工藝性的要求：結(jié)構(gòu)簡單便于制造加工與裝拆、降低成本§2-3機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述3·經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量小的要求：價廉物美、輕巧耐用（遵循三化原則）4·可靠性要求：零件的可靠性決定了機(jī)器的可靠性二．機(jī)械設(shè)計(jì)中的“三化”1·標(biāo)準(zhǔn)化：對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料特性、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等制定出統(tǒng)一的共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)（如：螺紋聯(lián)接件，滾動軸承等用途最廣的零件進(jìn)行大量的、集中制造，用戶根據(jù)要求選用）2·系列化：對同一產(chǎn)品，為了適應(yīng)不同的使用條件，在同一基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產(chǎn)品，稱為不同的系列（如：滾動軸承的直徑系列、寬度系列，工程機(jī)械的系列化）3·通用化：不同的產(chǎn)品間，零部件要能相互通用（如：汽車與農(nóng)用車之間零部件的通用）我國標(biāo)準(zhǔn):

國標(biāo)(GB)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如JB)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn):

ISO標(biāo)準(zhǔn)三．機(jī)械零件設(shè)計(jì)步驟1．類型選擇（選型）：選擇符合要求的零件類型與結(jié)構(gòu)2．受力分析：計(jì)算載荷、求作用力3．材料選擇：選擇合適的材料5．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)工藝及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4．承載能力計(jì)算：分析零件的失效形式，確定計(jì)算準(zhǔn)則，確定零件的基本尺寸設(shè)計(jì)是一個邊計(jì)算、邊畫圖、邊修改的反復(fù)過程，上述步驟要反復(fù)地進(jìn)行才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的產(chǎn)品來，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一標(biāo)準(zhǔn)分類6．校核計(jì)算、畫零件工作圖、編寫技術(shù)資料四．機(jī)械零件的常規(guī)設(shè)計(jì)方法：1·經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)：根據(jù)對某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的經(jīng)驗(yàn)用類比的辦法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。如：箱體、機(jī)架、傳動零件的各結(jié)構(gòu)要素等，一般用在不重要的場合。2·模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：對一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件尤其是一些重型整體機(jī)械零件，為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可采用此方法。即根據(jù)相似理論的方法做模型，從對模型的模擬工作狀態(tài)中取得數(shù)據(jù)后再作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，對設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步的修改，直至完善。如：飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)、橋梁、水壩、大型的發(fā)電機(jī)組（從小到大逐步開發(fā)）。3·理論設(shè)計(jì)：根據(jù)在模型實(shí)驗(yàn)與科學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，應(yīng)用形式有：⑴設(shè)計(jì)計(jì)算（由已知載荷與材料性能求零件的尺寸）；⑵校核計(jì)算（已知零件尺寸，校核其是否滿足使用的要求）?！?-4機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則失效形式是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)失效形式提出其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。機(jī)械零件的失效：指零件失去正常的工作能力的現(xiàn)象。零件的失效將不可避免的導(dǎo)致機(jī)器的失效，零件的性能與質(zhì)量直接影響機(jī)器的性能與質(zhì)量。

一種失效形式對應(yīng)著一種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度條件：有二種表達(dá)形式失效形式一：塑變或斷裂（靜強(qiáng)度斷裂、疲勞斷裂）1．應(yīng)力表示法：正應(yīng)力剪應(yīng)力2．安全系數(shù)表示法：正應(yīng)力剪應(yīng)力討論：σ越小，或Sca越大，則強(qiáng)度越好?說明：1·σlim為極限應(yīng)力，即：

σB

強(qiáng)度極限---靜強(qiáng)度斷裂、脆性材料，如鑄鐵；

σs

屈服極限---塑性變形，一般金屬材料；

σr

疲勞極限---疲勞斷裂（在第三章講述）

σHlim接觸疲勞極限---疲勞點(diǎn)蝕（在第三章講述）

2·Sca為計(jì)算的安全系數(shù)

3·τ與正應(yīng)力狀態(tài)相同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：剛度準(zhǔn)則失效形式二：過大的彈性變形問：合金鋼代替碳鋼能否提高零件的剛度？剛度條件：彎曲剛度：撓度y≤[y]扭轉(zhuǎn)剛度：扭轉(zhuǎn)角φ≤[φ]

TφT偏轉(zhuǎn)角θ≤[θ]yθ設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：壽命準(zhǔn)則。影響壽命的主要因素是腐蝕、過度磨損、疲勞（表面接觸疲勞、整體疲勞〈簡稱疲勞〉）。對于腐蝕、磨損由于因素很復(fù)雜，無有效的定量的計(jì)算方法，一般只作條件性計(jì)算。如（“耐磨性準(zhǔn)則”）對于疲勞通常是求出使用壽命時的疲勞極限來作為計(jì)算的依據(jù)（見前面的強(qiáng)度準(zhǔn)則部分），在軸承的壽命計(jì)算中我們將具體的應(yīng)用到壽命準(zhǔn)則和后面將要將要講的可靠性準(zhǔn)則失效形式三：表面破壞（表現(xiàn)為：腐蝕、磨損、接觸疲勞）p≤[p]

防止壓力過大而產(chǎn)生過度磨損v≤[v]防止速度過高而產(chǎn)生過度磨損pv≤[pv]防止溫度過高而發(fā)生膠合耐磨性準(zhǔn)則（條件性計(jì)算：如在不完全液體潤滑滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算中）振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：固有頻率f與激振頻率fp之間滿足0·85f＞fp或1·15f＜fp的關(guān)系。失效形式四：破壞正常的工作條件引起的失效。有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，當(dāng)條件被破壞是就不能正常工作，從而導(dǎo)致失效。如表現(xiàn)為：帶傳動及摩擦輪傳動中，傳遞的有效圓周力大于臨界摩擦力，將發(fā)生打滑的失效。完全液體潤滑滑動軸承中的完整潤滑油膜被破壞，將發(fā)生過熱、膠合、磨損等失效。高速轉(zhuǎn)動的零件（轉(zhuǎn)子）的固有頻率接近激振頻率時將發(fā)生共振引起振幅過大，引起斷裂的失效。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：防止零件的正常工作條件被破壞，避免失效的發(fā)生。如采用限制工作載荷、供油充分、避開激振頻率（振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則）等來確保零件的正常工作條件一．耐熱性準(zhǔn)則：一些特殊的零件特殊要求二．可靠性準(zhǔn)則可靠度Rt：指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。